Расчет по мощности КГШП для техпроцессов термомеханической обработки

Аннотация

Рассчитано усилие штамповки поковки удлиненной формы при различной температуре в открытом штампе по формуле М.В.Сторожева и произведено сравнение с усилием штамповки идентичной поковки в результате конечно-элементного моделирования. Предложены варианты корректировки формул.

Полный текст

Повысить эффективность технологических процессов термомеханической обработки возможно за счет рационализации температурных, временных, силовых схем деформационно-термического воздействия на металл. При этом не менее значимой представляется задача оптимизация агрегатной схемы технологического процесса. Нам было важно определить, насколько точно по формулам А.В.Ребельского [1], Л.В.Прозорова [2], М.В.Сторожева [3, 4], по которым подбирается КГШП, молоты, ГКМ, определяется усилие штамповки P, необходимое для проведения процесса формоизменения стальной заготовки. Область наших интересов – теплая и горячая облойная штамповка, поэтому мы рассчитали необходимое усилие штамповки поковки тип ««тяга соединительная» по формуле 1 (формула М.В.Сторожева) [5] для ручья штампа, представленного на рисунке 1. Результаты расчетов представлены в таблице 1. , (1) где σs - напряжение текучести металла, соответствующее температуре и скорости деформации при штамповке, приблизительно равное временному сопротивлению на растяжение при той же температуре, кГ/мм2; b – ширина мостика канавки для заусенца, мм; hз - толщина заусенца в мостике, мм; Fп - площадь проекции поковки на плоскости разъема, мм2; F3- площадь мостика канавки для заусенца, мм2; d – диаметр или сторона квадрата поковки в плане, мм; а – средняя ширина поковки, мм. Рисунок 1. Геометрическая модель нижней плиты штампа Размер заготовки был определен расчетным путем: длина 180 мм, диаметр 50 мм. Минимальный диаметр ручья штампа составил 30 мм, максимальный размер 175 мм. Расчеты по формуле М.В. Сторожева показали, что усилие штамповки P определяется по формуле однофакторно как пропорциональное напряжению текучести металла σs. а) б) Рисунок 2. Геометрическая модель поковки: а) – распределение температурного поля; б) – контактное давление в ручье штампа Для сопоставления результатов нами была проведена симуляция упруго-пластичного деформирования металлической заготовки при осуществлении процесса облойной штамповки поковки (чистовой ручей на рисунке 1) на КГШП в программном комплексе simufact (msc.superforge) для стали 45 и 40Х в диапазоне температур Тд=800÷1200ºС. По данным пользователей программы погрешность в расчетах не превышает 5-10%. В результате были получены модели поковки (рисунок 2,а-б), а также рассчитанные программой величины усилия штамповки P в зависимости от температуры деформации (таблица 1). Анализ данных моделирования позволяет заключить, что динамика изменения усилия штамповки не соответствует динамике изменения напряжения текучести металла, то есть P не пропорционально σs. Таблица 1 Усилия штамповки, рассчитанные по формуле и моделированием Сталь 45 № Температура деформации Tд, °C σs, кгс/мм2 Δσs, % Усилие P по формуле 1, кH ΔP по формуле 1, % Усилие P при моделировании, кH ΔP при моделировании, % 1. 900 8.3 - 7 197.70 - 11 300 - 2. 1000 5.1 Δσs1-2 = 63% 4 422.68 ΔP1-2 = 63% 11 000 ΔP1-2 = 3% 3. 1100 3.1 Δσs2-3 = 65% 2 688.30 ΔP2-3 = 65% 9 300 ΔP2-3 = 18% 4. 1200 2.1 Δσs3-4 = 48% 1 821.11 ΔP3-4 = 48% 9 500 ΔP3-4 = 2% Сталь 40Х 1. 800 10 - 9 748.09 - 11 100 - 2. 900 7.04 Δσs1-2 = 42% 6 862.66 ΔP1-2 = 42% 10 200 ΔP1-2 = 9% 3. 1000 4.38 Δσs2-3 = 61% 4 269.66 ΔP2-3 = 61% 8 500 ΔP2-3 = 20% 4. 1100 2.65 Δσs3-4 = 65% 2 583.24 ΔP3-4 =65% 8 400 ΔP3-4 =1% 5. 1200 2.44 Δσs4-5 = 9% 2 378.53 ΔP4-5 =9% 8 700 ΔP4-5 =9% По результатам анализа таблицы 1 установлено, что в интервале температур деформирования TдÎ[800÷1200]°С расчетные усилия штамповки ниже реальных (моделирование) усилий в 2-4 раза. По-видимому, в расчетных формулах не учитывается многофакторность процесса пластической деформации и неоднородность формирования очага деформации, а поэтому требуется их корректировка за счет введения корректирующих коэффициентов. Нами были рассмотрены варианты корректировки формулы за счет введения корректирующих скоростных и масштабных коэффициентов. Показано, что применение скоростных коэффициентов равных скоростным коэффициентам С.И.Губкина [6] не достаточно для получения расчетных значений Р,близких к реальным в пределах приемлемой погрешности 10%. Поэтому нами был введен в расчетные формулы коэффициент k- (таблица 2), вычисленный эмпирическим путем, применение которого к формуле М.В. Сторожева обеспечивает расчет усилия штамповки с средней погрешностью 8% (рисунок 3). Таблица 2 Значения коэффициента к- Отношение температур деформации Тд/ Тпл= 0.5÷0.6 Тд/ Тпл= 0.6÷0.7 Тд/ Тпл = 0.7÷0.8 1.0 ÷ 1.5 1.5 ÷ 2.5 3.0 ÷ 4.0 В случае применения предлагаемого коэффициента к- формула М.В. Сторожева примет следующий вид: . (2) Для наглядного сравнения эффективности использования коэффициента к- на рисунке 3,4 показаны кривые зависимостей величины усилия деформирования от температуры штамповки рассчитанные по формуле М.В. Сторожена с использованием коэффициента к- и без него. Рисунок 3. Изменение усилия штамповки в зависимости от температуры штамповки поковки из стали 45 без применения коэффициента к- Рисунок 4. Изменение усилия штамповки в зависимости от температуры штамповки поковки из стали 45 при применении коэффициента к- Выводы По результатам компьютерного моделирования установлено, что расчет усилия штамповки по формуле М.В. Сторожева в целях подбора КГШП по мощности при проектировании технологических процессов кузнечно – штамповочного производства не обеспечивает достоверного результата. Расчетные усилия P ниже реальных в 2-4 раза в интервале температур деформирования TдÎ[800÷1200]°С. Расчетные формулы не учитывают многофакторность процесса пластической деформации, определяемую неоднородностью формирования очага деформации, а поэтому требуют корректировки. Применение скоростных коэффициентов, равных скоростным коэффициентам С.И.Губкина, не достаточно для получения расчетных значений Р, близких к реальным в пределах погрешности 10%. Предложена корректировка формулы М.В.Сторожева за счет внедрения в нее коэффициента k-, который обеспечивает расчет необходимого усилия деформирования P с погрешностью в пределах 10%.